二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)光反射特性的研究及其在硅基太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人類(lèi)對(duì)能源的依賴(lài)度越來(lái)越高。而人類(lèi)目前使用的能源是化石能源如煤、天然氣、石油等,這些能源都是不可再生能源。一方面,截至本世紀(jì)中葉,據(jù)估計(jì)全世界的能源消耗總量將比本世紀(jì)初的消耗總量預(yù)計(jì)增加一倍,能源枯竭的危機(jī)即將到來(lái)。另一方面,化石能源燃燒釋放出大量溫室氣體和其他有毒氣體,這對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。在當(dāng)前形勢(shì)下,世界各國(guó)都在致力于如何應(yīng)對(duì)和解決人類(lèi)社會(huì)面臨的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題。太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,相對(duì)于即將消耗完的化石能源來(lái)說(shuō),由于其取之不盡、功率巨大、使用清潔安全、可就地取材,不受地理位置的影響等優(yōu)點(diǎn)成為替代化石能源的首選。作為太陽(yáng)能利用的最佳途徑之太陽(yáng)能電池的研究開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)及市場(chǎng)開(kāi)拓方面成為世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家激烈競(jìng)爭(zhēng)的主要熱點(diǎn)。而由于太陽(yáng)能電池存在電學(xué)損失和光學(xué)損失,使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到限制。其中光學(xué)損失可以分為遮擋損失、表面反射損失以及電池材料的光譜效應(yīng)損失。為提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,針對(duì)太陽(yáng)能電池存在的表面反射問(wèn)題,本文立足硅基太陽(yáng)能電池減小表面反射損耗,以便在理想的光頻范圍內(nèi)獲得低反射特性。論文的主要內(nèi)容包括：1、在硅基太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)之上,對(duì)當(dāng)前硅基太陽(yáng)能電池抗反射層的研究背景進(jìn)行介紹,探討了傳統(tǒng)抗反射層的優(yōu)點(diǎn)與缺陷。并針對(duì)目前微細(xì)加工技術(shù)的現(xiàn)狀,對(duì)二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上,介紹了最近幾年新興的將亞波長(zhǎng)二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于硅基太陽(yáng)能電池表面減反射的研究與設(shè)計(jì)的方法。這為本文提供了課題研究背景。2、從經(jīng)典電磁理論——麥克斯韋方程組出發(fā),研究了介質(zhì)中光波傳輸特性。通過(guò)分別對(duì)線偏振光在兩層介質(zhì)分界面和多層介質(zhì)中的傳輸特性進(jìn)行模擬計(jì)算和理論分析,為單層和多層減反射膜的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,提供理論基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步減小反射、增強(qiáng)透射,緊接著介紹了等效介質(zhì)膜理論和Mie散射理論。3、根據(jù)等效介質(zhì)膜理論和Mie散射理論,研究了二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)的光反射特性。通過(guò)控制變量法,分別對(duì)影響二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)光反射特性的因素,即微結(jié)構(gòu)材料、高度、占空比以及形貌進(jìn)行詳細(xì)研究。4、在確定硅為硅基太陽(yáng)能電池表面抗反射微結(jié)構(gòu)的材料的基礎(chǔ)上,利用MEEP仿真軟件分別對(duì)由方柱硅顆粒和球形硅顆粒構(gòu)成的二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究。研究表明：本文利用亞波長(zhǎng)二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)表面良好的抗反射特性,在理想的光頻范圍內(nèi)擴(kuò)展了硅基太陽(yáng)能電池的低反射特性,從而為二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和制造提供理論指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：硅基太陽(yáng)能電池 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu) 等效介質(zhì)理論 Mie散射理論 低反射
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-11
• 1.2 硅基太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)與工作原理11-13
• 1.3 硅基太陽(yáng)能電池抗反射層的研究背景13-15
• 1.4 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀15-17
• 1.5 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)能電池中的研究及意義17-18
• 1.6 本文的研究工作18-21
• 第二章 介質(zhì)中光波傳輸特性的理論研究21-48
• 2.1 線偏振光在兩種介質(zhì)分界面處傳輸特性的理論研究21-33
• 2.1.1 由光疏介質(zhì)入射光密介質(zhì)時(shí)的傳輸特性27-30
• 2.1.2 由光密介質(zhì)入射光疏介質(zhì)時(shí)的傳輸特性30-33
• 2.2 線偏振光在多層介質(zhì)膜中傳輸特性的理論研究33-38
• 2.2.1 多層介質(zhì)膜的反射率和透射率33-34
• 2.2.2 典型多層減反射膜的理論設(shè)計(jì)34-38
• 2.3 等效介質(zhì)膜理論38-44
• 2.3.1 一維光學(xué)微結(jié)構(gòu)的理論分析38-41
• 2.3.2 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)的理論分析41-44
• 2.4 Mie散射理論44-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 第三章 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)光反射特性的研究48-56
• 3.1 微結(jié)構(gòu)材料對(duì)反射率的影響48-49
• 3.2 微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反射率的影響49-52
• 3.2.1 反射率隨高度的變化50-51
• 3.2.2 反射率隨占空比的變化51-52
• 3.3 微結(jié)構(gòu)形貌對(duì)反射率的影響52-54
• 3.4 本章小結(jié)54-56
• 第四章 二維光學(xué)微結(jié)構(gòu)減小硅基太陽(yáng)能電池光反射的仿真研究56-70
• 4.1 抗反射結(jié)構(gòu)材料的選擇56-58
• 4.2 基于方柱顆粒減小硅基太陽(yáng)能電池光反射的仿真研究58-62
• 4.2.1 微結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)58-59
• 4.2.2 結(jié)構(gòu)模型的建立59
• 4.2.3 仿真驗(yàn)證與比較分析59-62
• 4.3 基于球型顆粒減小硅基太陽(yáng)能電池光反射的仿真研究62-69
• 4.3.1 微結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的理論分析62-65
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)模型的建立65
• 4.3.3 仿真驗(yàn)證與比較分析65-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第五章 總結(jié)與展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-77
• 攻讀碩士期間的科研情況77

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